CN106949936A - 利用双目视觉位移监测系统分析输电塔结构模态的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用双目视觉位移监测系统分析输电塔结构模态的方法，双目视觉位移监测系统包括测量靶标、图像采集装置、图像处理计算机、风速风向测量装置；首先在输电塔的薄弱位置设置好靶标，然后利用告诉摄像机进行连续拍摄，并将照片通过传输导线输送到图像处理计算机中；计算机中的图像处理软件根据两个相邻靶点之间距离的变化计算出电塔位移的瞬时变化，进而得到电塔的振动模态。本发明有良好的操作性及稳定性，并具有高采样率、高精度、非接触及多点实时采集等优点，能够实现对电塔振动有效监控，从而为研究输电塔的风致倒塌的研究提供依据，优化往后的结构设计。

Description

利用双目视觉位移监测系统分析输电塔结构模态的方法
技术领域
本发明属于结构健康监测技术领域，具体涉及一种利用双目视觉位移监测系统分析输电塔结构模态的方法。
背景技术
近年来，输电塔在强风作用下倒塌的事故时有发生，给人民的生命和财产造成了极大的威胁。但是由于输电塔在风荷载作用下的振动的不规律，研究人员很难对输电塔的振动情况进行判断，难以得到准确的振动模态，也就无法提出有效的解决输电塔倒塌的措施。
由于输电塔-线结构现场环境的局限，运用传统的传感器如加速度传感器、位移传感器、激光传感器或者全球定位系统等，已经满足不了对输电塔-线结构动态位移监测的要求，因而也无法计算出结构准确的受力情况。常规图像处理技术通过灵活组合多种图像处理算法可完成各种场景运动图像的分析和信息的提取，然而常规图像处理手段也存在的诸多问题，如参数多，难调整；步骤多，繁琐易出错；对图像质量要求高，光照、噪声对算法执行效果有直接影响等。
为了更准确、方便地获得结构的动态位移或变位信息，急需另外一种高效的、实时结构动态位移及变形监测技术来获取结构振动模态，实现整个塔线体系的快速自动检测与评估提供了可能。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明利用了一种采用机器双目视觉技术的、高效的、准确的输电塔-线体系实时动态监测系统实现对输电塔模态。
本发明所采用的技术方案是：一种利用双目视觉位移监测系统分析输电塔结构模态的方法，其特征在于：所述双目视觉位移监测系统包括测量靶标、图像采集装置、图像处理计算机、风速风向测量装置；所述测量靶标若干，均根据需要设置在输电塔上；所述图像采集装置包括若干设置在无形变的输电塔下的高速摄像机，用于获取测测量靶标的三维坐标；
所述图像采集装置与图像处理计算机通过传输导线连接，所述图像处理计算机读取所述图像采集装置拍摄得到的帧系列照片中测量靶标的三维坐标，计算无形变的输电塔在不同风速和风向下的振动模态，判定结构是否在正常工作范围内振动。
具体实现包括以下步骤：
步骤1：获取实时风速风向，计算得到风振频率ω；
步骤2：计算变形后的输电塔相对于未变形的输电塔的空间位移函数sij和输电塔测点在特定频率ωf位移阻抗Zf；
步骤3：利用输电塔测点的空间位移函数估算模态质量M和模态刚度K，以此为基础计算结构振动幅值A和模态固有频率ω0；
步骤4：判定结构是否在正常工作范围内振动，以及是否有发生共振的可能。
本发明的优点是：
1、该方法有良好的操作性及稳定性，并具有高采样率、高精度、非接触及实时性等优点，能够实现对输电塔-线耦联体在不同风速和风向情况下的动态位移和变形的有效监控；
2、输电塔风致振型复杂、难以计算，该系统利用图像处理软件能够准确读取同一时刻所有靶标的三维坐标，利用相应算法和动力学原理推算出输电塔、输电线在不同风速和风向下的振动模态，从而为防止输电塔风致倒塌的研究提供依据；
3、该方法能够对输电塔风致振动破坏形态进行预估，可以实现动态结构设计以及结构优化；
4、与传统的模态获取方法相比，该方法的仪器回收率高，人力要求低，经济性好。
附图说明
图1为本发明实施例的双目视觉位移监测系统示意图；
图2为本发明实施例的流程图。
具体实施方法
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1，本发明提供的一种利用双目视觉位移监测系统分析输电塔结构模态的方法，双目视觉位移监测系统包括测量靶标3、图像采集装置、图像处理计算机、风速风向测量装置；测量靶标3若干，均根据需要设置在输电塔1上；图像采集装置包括若干设置在未变形的输电塔1下的高速摄像机4，用于获取测测量靶标3的三维坐标；图像采集装置与图像处理计算机通过传输导线连接，图像处理计算机读取图像采集装置拍摄得到的帧系列照片中测量靶标3的三维坐标，计算未变形的输电塔1在不同风速和风向下的振动模态，判定结构是否在正常工作范围内振动。
本实施例的高速摄像机的帧数为1000～1500帧/s，至少设置2台；传输导线为USB数据线，风速风向测量装置为PHWE测风仪。
请见图2，本发明提供的一种利用双目视觉位移监测系统分析输电塔结构模态的方法，包括以下步骤：
步骤1：利用PHWE测风仪测得实时风速风向，利用脉动风力函数得风振频率ω；
步骤2：在输电塔1的下方布置两个高速摄像机，利用双目识别位移监测系统4，以及测量靶标3，将三维实体测量靶标3位置投影到左右相机二维图像之中，原理表示为：
x＝K[R|t]·X
随后采用基于立体视觉的3D重建，将左相机坐标PLj[xlj,ylj]与右相机坐标PRj[xRj,yRj]进行位移演变，获取测量靶标3的三维坐标Pj＝(Xj,Yj,Zj)。
若将某一时刻所有测量靶标3的坐标在软件中进行呈现时，就能模拟出输电塔1特定点的实时位置；就能模拟出输电塔特定点的实时位置得到形变后的输电塔2空间位移函数sij；，
sij(ti)＝f[ti,gj(X,Y,Z)]
式中，ti为测试时间点，j为在不同位置靶标测点；
若将某一时间段不同时刻的输电塔1进行动态模拟，就能得到输电塔测点在特定频率ωf下的位移阻抗Zf。
步骤3：利用输电塔测点的空间位移函数估算模态质量m和模态刚度k；
再以此为基础计算结构振动幅值A和模态固有频率ω0；
以测点j为例，考虑x方向振动为例，x方向的自由振动微分方程：
转化为拉氏域方程
令
结构固有频率
x方向振动响应方程为：
A与由边界条件sij等确定；
步骤4：判断结构振动幅值A是否超过结构正常工作幅值A0，A0根据《建筑结构风振控制规范》选取，若A≤A0说明振幅在控制范围内；若A≥A0说明振幅过大。
同时需要判断工作频率ω是否落在模态固有频率的半功率带宽之内：
若或则不会发生共振危险，
若则可能发生共振危险。
尽管本说明书较多地使用了未变形的输电塔1、变形后的输电塔2、测量靶标3、双目识别监测系统4等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种利用双目视觉位移监测系统分析输电塔结构模态的方法，其特征在于：所述双目视觉位移监测系统包括测量靶标(3)、图像采集装置、图像处理计算机、风速风向测量装置；所述测量靶标(3)若干，均根据需要设置在输电塔(1)上；所述图像采集装置包括若干设置在输电塔(1)下的高速摄像机(4)，用于获取测测量靶标(3)的三维坐标；
所述图像采集装置与图像处理计算机通过传输导线连接，所述图像处理计算机读取所述图像采集装置拍摄得到的帧系列照片中测量靶标(3)的三维坐标，计算未变形的输电塔(1)在不同风速和风向下的振动模态，判定结构是否在正常工作范围内振动。
2.根据权利要求1所述的利用双目视觉位移监测系统分析输电塔结构模态的方法，其特征在于：所述高速摄像机的帧数为1000～1500帧/s，至少设置2台。
3.根据权利要求1所述的利用双目视觉位移监测系统分析输电塔结构模态的方法，其特征在于：所述传输导线为USB数据线。
4.根据权利要求1所述的利用双目视觉位移监测系统分析输电塔结构模态的方法，其特征在于：所述风速风向测量装置为PHWE测风仪。
5.根据权利要求1所述的利用双目视觉位移监测系统分析输电塔结构模态的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取实时风速风向，计算得到风振频率ω；
步骤2：计算形变后的输电塔(2)相对于无形变的输电塔(1)的空间位移函数sij和输电塔测点在特定频率ωf位移阻抗Zf；
步骤3：利用输电塔测点的空间位移函数估算模态质量M和模态刚度K，以此为基础计算结构振动幅值A和模态固有频率ω0；
步骤4：判定结构是否在正常工作范围内振动，以及是否有发生共振的可能。
6.根据权利要求5所述的利用双目视觉位移监测系统分析输电塔结构模态的方法，其特征在于：步骤2中，利用双目视觉技术，将三维实体测量靶标位置投影到双目识别位移监测系统(4)的左右相机二维图像之中，随后采用基于立体视觉的3D重建，获取测量靶标靶点的三维坐标；根据某一时刻所有测量靶标靶点的坐标，模拟出输电塔测点的实时位置得到空间位移函数si；根据某一时间段不同时刻的输电塔所有测量靶标靶点的坐标，模拟出输电塔测点在特定频率ωf位移阻抗Zf。
7.根据权利要求5所述的利用双目视觉位移监测系统分析输电塔结构模态的方法，其特征在于：步骤3中，计算幅值A是否超过结构正常工作幅值A0，以了解振幅是否影响结构正常工作；并判断工作频率ω是否落在模态固有频率的半功率带宽之内，判断输电塔是否有发生共振的危险。
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